Ứng dụng mạng Nơron ước lượng từ thông trong hệ truyền động động cơ không đồng bộ

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 242 ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON ƯỚC LƯỢNG TỪ THÔNG TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ APPLICATION OF FLUX ESTIMATION NEURAL NETWORKS TO THE CONTROL OF THE INDUCTION MOTOR DRIVER SYSTEM Võ Như Tiến Trường Cao đẳng Công nghệ Đại học Đà Nẵng Lê Kim Anh Trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy Hòa TÓM TẮT Bài báo nhằm giới thiệu phương pháp ứng dụng mạng nơron để ước lượng từ thông rotor trong hệ truyền động động cơ không đồng bộ. Tính toán từ thông rotor và góc pha trong động cơ không đồng bộ là hai yếu tố quyết định của phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor, trong các mô hình cũng như trong các phương trình động học của động cơ không đồng bộ luôn tồn tại hằng số thời gian của rotor. Ưu điểm của mạng nơron là có thể xấp xỉ các quan hệ phi tuyến mà không cần biết cấu trúc của quan hệ đó. Các bộ ước lượng từ thông sẽ được sử dụng vào sơ đồ điều khiển tựa theo từ thông động cơ không đồng bộ. ABSTRACT This article introduces the application of the flux estimation neural network to the control of the induction motor driver system. The calculations of rotor flux and phase angle in the induction motor are two main principles for the control method based on rotor flux- orientation. Not only in the prototypes but also in the kinematics equations of the induction motor, there always exists the time constant of rotor. The advantage of the neural network is that it can approximate the non-linear relationships without revealing the structure of those non- linear relationships. The flux estimators are used in the controlling diagram based on the magnetic flux of the induction motor. 1. Đặt vấn đề Việc ứng dụng mạng nơron (Artificial Neural Network - ANN) vào ước lượng từ thông của động cơ được điều khiển bởi biến tần nguồn áp và điều khiển vector tựa theo từ thông rotor là vấn đề mới trong các hệ truyền động động cơ không đồng bộ. Mạng truyền thẳng nhiều lớp được sử dụng trong đó những ngõ vào là giá trị hiện tại và giá trị trễ TDL (Tapped Delay Line) của dòng điện và điện áp stator trên trục tọa độ dq. 2. Mô hình điều khiển mạng nơron ước lượng từ thông rotor Mạng nơron ước lượng từ thông trong truyền động động cơ KĐB sử dụng hệ thống thích nghi mô hình tham chiếu ( Model Reference Adaptive Systems: MRAS). Việc thực hiện của hệ thống được xác định bởi một mô hình, sai số của bộ điều khiển được hiệu chỉnh bởi sai số giữa mô hình chuẩn và hệ thống. Mô hình chuẩn sử dụng trong hệ thích nghi bắt nguồn từ hệ liên tục sau đó được mở rộng sang hệ rời rạc có nhiễu ngẫu nhiên. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 243 Mô hình mẫu sẽ cho đáp ứng ngõ ra mong muốn đối với tín hiệu đặt. Hệ thống có một vòng hồi tiếp thông thường bao gồm đối tượng và bộ điều khiển. Sai số e là sai lệch giữa ngõ ra của hệ thống và của mô hình mẫu e = y - ym. Bộ điều khiển có thông số thay đổi dựa vào sai số này. Hệ thống có hai vòng hồi tiếp: Hồi tiếp trong là vòng hồi tiếp thông thường và vòng hồi tiếp bên ngoài hiệu chỉnh tham số cho vòng hồi tiếp bên trong. 3. Ước lượng từ thông rotor dựa vào dòng điện và điện áp stator trên toạ độ dq Ước lượng từ thông rotor dựa vào mô hình dòng điện và điện áp stator trên trục toạ độ dq. Dòng điện và điện áp stator trên trục toạ độ dq được tính như sau: ▪ Phương trình dòng điện và điện áp stator: ⎪⎪⎭ ⎪⎪⎬ ⎫ ⎪⎪⎩ ⎪⎪⎨ ⎧ ⎥⎥ ⎥⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎣ ⎡ −⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡−⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= ⎥⎥ ⎥⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎣ ⎡ dt di dt di L i i R u u L L dt d dt d sq sd s sq sd s sq sd m r )u( rq )u( rd σψ ψ (1) ▪ Phương trình dòng điện stator và tốc độ rotor: ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡+⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ⎥⎥ ⎥⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎣ ⎡ − −− = ⎥⎥ ⎥⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎣ ⎡ sq sd r m )i( rq )i( rd r r r r )i( rq )i( rd i i T L T 1 T 1 dt d dt d ψ ψ ω ω ψ ψ (2) )u( rdψ , )u(rqψ , )i(rdψ , )i(rqψ Từ thông rotor theo mô hình điện áp và dòng điện, trục toạ độ dq u uc Mô hình Cơ cấu hiệu chỉnh Bộ điều khiển Đối tượng Tham số điều khiển ym y Hình 1. Cấu trúc của một hệ thống thích nghi mô hình tham chiếu TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 244 s r m)i( rr r )i( r i. T L.JI T 1 +⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +−= ψωψ (3) ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= 10 01 I ; ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −= 01 10 J ; ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= sq sd s i i i ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= sq sd s u u u ; ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= )i( rq )i( rd)i( r ψ ψψ ; ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= )u( rq )u( rd)u( r ψ ψψ (4) Dữ liệu mẫu của mạng nơron theo phương trình (3) được tính như sau: ( ) )1k(iw)1k(.JwIw)k( s3)n(r21)n(r −+−+= ψψ (5) :)k()n( r ψ Từ thông rotor khi dùng mạng nơron Các ngõ vào: ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ − −=−= )1k( )1k( )1k(Ix )n( rq )n( rd)n( r1 ψ ψψ ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ − −−=−= )1k( )1k( )1k(Jx )n( rd )n( rq)n( r2 ψ ψψ (6) ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ − −=−= )1k(i )1k(i )1k(iIx sq sd s3 Sai lệch giữa từ thông được tính như sau: { }2)i( r )u( r 2 11 k()k(2 1)k( 2 1e ψψε −== (7) Động cơ Mô hình điện áp Mạng huấn luyện ε + ANN Mô hình dòng điện Hình 2. Ước lượng từ thông theo mô hình dòng điện và điện áp stator, hệ toạ độ dq TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 245 Mô hình mô phỏng Hình 6a. Đáp ứng từ thông 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Time (s) T u th on g (W b) Tu thong dap ung Tu thong uoc luong 1.5 1.55 1.6 0.96 0.98 1 1.02 1.04 Đóng tải Hình 6b. Đáp ứng mômen 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 2 4 6 8 10 12 14 Time (s) M o m en ( N m ) Mo men dap ung Mo men khi dung ANN uoc luong tu thong Hình 5. Khối mô hình từ thông Hình 5. Sơ đồ khối tính từ thông TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 246 Kết quả mô phỏng 4. Kết luận - Từ thông ước lượng đạt đến giá trị đặt - Sự khác biệt giữa từ thông của động cơ khi sử dụng bộ ước lượng từ thông dùng mạng nơron và từ thông của động cơ khi sử dụng bộ ước lượng từ thông thông thường không đáng kể. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Phùng Quang, Truyền động điện thông minh, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, 2006. [2] Võ Như Tiến, Bùi Quốc Khánh, Điều khiển trực tiếp mô men động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp logic mờ, Hội nghị toàn quốc lần thứ VI ( VICA 6), Hà Nội 12-14/4/2005. Hình 6c. Đáp ứng dòng điện 0 0.5 1 1.5 2 2.5 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 Time (s) D on g di en ( A ) Dong dien dap ung Dong dien khi dung ANN uoc luong tu thong Hình 6d. Đáp ứng từ thông Hình 6a),b),c),d). Các đáp ứng của truyền động động cơ KĐB ở trạng thái quay theo chiều thuận sử dụng bộ ước lượng từ thông ANN 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Time (s) T oc d o (r ad /s ) Toc do dap ung Toc do khi dung ANN uoc luong tu thong TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 247 [3] Võ Như Tiến, Nghiên cứu ứng dụng vi xử lý tín hiệu số (DSP) điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ, Đề tài NCKH cấp Bộ mã số B2008-ĐN 06-05 [4] Bimal K.Bose (2007) Neural Network Applications in Power Electronics and Motor Drives-An Introduction and Perspective, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIALELECTRONICS,VOL. 54, NO. 1 [5] P. Huerta Gonzalez, J. Rodriguez rivas, I. Torres Rodriguez (2006) Indirect vector – controlled induction motor drive system with rotor resistance estimation using an Aritificial neural Neural Network, distrito federal, Mexico pp.191-197. [6] Mokhtar Zerikat, Sofiane Chekroun (2008) High performance speed tracking of induction motor using an Adaptive Fuzzy-Neural Network Control, International Journal of Sciences and Techniques of Automatic control & computer engineering IJ-STA, Special Issue, CEM. [7] Ramadas,Dr.Thyagarajan, Dr.Ved subr ahmanyam (2009) Robust Performance of Induction Motor Drives, International Journal of Recent Trends in Engineering, Vol 1, No.3.